计算机硬件技术基础(第二章)
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
辅存（外存）
位于主存之外，速度较慢，容量最大， 价格最便宜。用于长期保存数据和程序 ，不直接参与计算机的运算过程。
04
输入输出设备
输入设备类型及原理
键盘
鼠标
通过按键的按下与释放，产生相应的电信 号，实现字符、数字等信息的输入。
利用光电或机械原理，检测鼠标在平面上 的移动和点击操作，将其转换为电信号输 入计算机。
存储器
内存储器类型及特点
随机存取存储器（RAM） 可读写，断电后数据丢失 访问速度快，与CPU直接交换数据
内存储器类型及特点
只读不写，断电后数据保留
只读存储器（ROM）
容量有限，价格相对较高
01
03 02
内存储器类型及特点
用于存储固定程序或数据
容量较小，价格相对较低
外存储器类型及特点
01
硬盘
02
容量大，价格适中
读写速度较慢，但可长期保存数据
03
外存储器类型及特点
1
常见的硬盘接口有SATA、SAS等
固态硬盘（SSD）
2
读写速度快，抗震能力强
3
外存储器类型及特点
容量相对较小，价格较高
采用闪存作为存储介质，无机械结构
外存储器类型及特点
光盘
读写速度较慢，数据可长 期保存
容量适中，价格低廉
扫描仪
触摸屏
通过光电转换器件将纸质文档、照片等图 像信息转换为数字信号，输入计算机。
通过检测手指或触笔在屏幕上的触摸操作 ，实现信息的输入。
输出设备类型及原理
显示器
将计算机内部的数字信号转换为可视的 图像信息，通过屏幕呈现出来。
音响
将计算机内部的数字音频信号转换为 模拟音频信号，通过扬声器呈现出来。
外围组件互连接口，是一种高速的、 通用的总线接口标准，用于连接各种 高速设备。
并行接口
位数据 同时传输，传输速度快，但传输距离 较短。
通用串行总线接口，支持热插拔和即 插即用，广泛应用于计算机与外部设 备的连接。
总线与接口性能指标
传输速率
指单位时间内传输的数据量，通常以Mbps 或Gbps表示。
Bluetooth协议
一种无线通信技术协议，用于实现设备间的短距离无线通信，常见于 无线鼠标、键盘等输入设备中。
Wi-Fi协议
一种无线局域网通信技术协议，用于实现设备间的长距离无线通信， 常见于无线打印机、投影仪等输出设备中。
05
总线与接口技术
总线类型及特点
内部总线
连接计算机内部各部件的总线，如CPU总线、存储器总线等，传 输速度快，但长度较短。
计算机硬件技术基础(第二章)
• 计算机硬件概述 • 中央处理器 • 存储器 • 输入输出设备 • 总线与接口技术 • 计算机硬件发展趋势
01
计算机硬件概述
硬件定义与分类
硬件定义
计算机硬件指的是计算机系统中由电 子、机械和光电元件等物理部件组成 的实体部分，是计算机系统的物质基 础。
硬件分类
根据功能不同，计算机硬件可分为输 入设备、输出设备、中央处理器、存 储器和总线等几大类。
计算机硬件发展史
第一代计算机
采用电子管作为基本元件，体积大、功耗高、速度慢。
第二代计算机
采用晶体管作为基本元件，体积缩小、功耗降低、速度提 高。
第三代计算机
采用中小规模集成电路作为基本元件，体积进一步缩小， 功耗进一步降低，同时速度和可靠性得到显著提高。
第四代计算机
采用大规模和超大规模集成电路作为基本元件，实现了微 型化，同时计算机的运算速度、存储容量和可靠性都得到 了极大的提高。
传输距离
指信号在传输介质中能够保持有效传输的最 大距离。
负载能力
指总线或接口能够同时连接的设备数量或负 载的功率。
稳定性与可靠性
指总线或接口在长时间运行过程中保持数据 传输的稳定性和可靠性。
06
计算机硬件发展趋势
摩尔定律与硬件发展
摩尔定律的提出
在一个芯片上集成的晶体管数量每18个月翻一倍，性能也将提升 一倍。
虚拟现实和增强现实
结合虚拟现实和增强现实技术，打造沉浸式计算和全息投影等新型交互方式。
人工智能和机器学习
利用人工智能和机器学习技术，实现硬件自适应、自我优化和自我修复等功能。
THANKS
感谢观看
02
中央处理器
CPU结构与功能
控制单元（CU） 负责协调整个计算机系统的操作，包 括指令的取指、译码和执行等。
算术逻辑单元（ALU）
负责执行各种算术和逻辑运算，如加 减乘除、与或非等。
寄存器组
包括通用寄存器、程序计数器 （PC）、堆栈指针（SP）等，用于 暂存数据和地址。
内部总线
连接CPU内部各部件，实现数据传输。
量子计算
02
03
边缘计算和云计算
利用量子力学原理，设计量子计 算机，实现并行计算和指数级加 速。
将计算任务分散到网络边缘和云 端，降低数据传输延迟和中心化 服务器的压力。
未来硬件技术展望
纳米技术和生物技术
应用纳米技术和生物技术，制造更小、更快、更节能的计算机硬件。
柔性电子和可穿戴设备
开发柔性电子和可穿戴设备，实现人机交互和智能感知。
指令集与微架构
指令集
CPU所能执行的全部指令的集合，分为复杂指令集（CISC）和精简指令集 （RISC）两种类型。
微架构
CPU内部的组织和设计方式，包括流水线设计、超标量设计、乱序执行等技术， 用于提高CPU的运算速度。
CPU性能指标
主频
CPU的时钟频率，通常以MHz 或GHz表示，主频越高，CPU
处理速度越快。
核心数
CPU内部集成的处理器核心数量 ，多核心CPU可以同时处理多个 任务，提高并行处理能力。
缓存容量
CPU内部的临时存储器，用于 暂存数据和指令，缓存容量越 大，CPU处理速度越快。
功耗
CPU在正常工作状态下的功率消耗， 功耗越低，CPU发热量越小，越有 利于延长计算机的使用寿命。
03
硬件技术的飞速发展
随着集成电路的技术极限不断被突破，计算机硬件行业经历了飞速 的发展，从单核到多核，从简单逻辑到复杂计算。
摩尔定律的局限
随着物理学的限制，单纯提升硬件性能变得越来越困难，人们开始 寻找新的技术路径。
新型计算模式探索
01
生物计算和光计算
借鉴生物神经网络和光学原理， 开发新的计算模式，提高计算效 率和能耗比。
常见的光盘类型有CD、 DVD等
存储器层次结构
寄存器
位于CPU内部，速度最快，容量最小， 价格最贵。
主存（内存）
位于高速缓存和辅存之间，速度适中，容量 适中，价格适中。是计算机运行时的主要存 储空间，用于存放正在运行的程序和数据。
高速缓存（Cache）
位于CPU和主存之间，速度较快，容量较小 ，价格较高。用于存放CPU近期可能用到的 数据和指令，减少CPU对主存的访问次数。
打印机
将计算机输出的数字信息转换为纸质 文档，通过打印头在纸张上的打印操 作实现。
投影仪
将计算机内部的数字信号转换为光信 号，通过投影镜头将画面投射到屏幕 上。
设备接口与通信协议
USB接口
一种通用串行总线接口，支持热插拔和即插即用，广泛应用于计算机 输入输出设备中。
HDMI接口
一种高清多媒体接口，用于传输高清视频和音频信号，常见于高清显 示器和投影仪等设备中。
硬件与软件关系
相互依存
硬件和软件是相互依存的，没有软件的计算机被称为“裸机”，无法完成任何有意义的工作； 而没有硬件的支持，软件也无法运行。
协同工作
硬件和软件在计算机系统中协同工作，共同实现各种功能。硬件提供了基本的运算和存储 能力，而软件则通过控制硬件来完成各种复杂的任务。
互相促进
随着计算机技术的不断发展，硬件和软件都在不断进步。新的硬件技术为软件提供了更强 大的功能和更高的性能，而新的软件技术也充分利用了硬件的性能，为用户提供了更加丰 富和高效的应用体验。
系统总线
连接计算机各部件的总线，如数据总线、地址总线和控制总线， 用于实现计算机内部的数据传输和控制。
外部总线
连接计算机与外部设备的总线，如USB、PCI等，传输速度较慢， 但长度较长，可连接多个设备。
接口类型及功能
数据传输采用串行方式，即数据一位 一位地顺序传输，传输速度较慢，但 传输距离较长。
位于主存之外，速度较慢，容量最大， 价格最便宜。用于长期保存数据和程序 ，不直接参与计算机的运算过程。
04
输入输出设备
输入设备类型及原理
键盘
鼠标
通过按键的按下与释放，产生相应的电信 号，实现字符、数字等信息的输入。
利用光电或机械原理，检测鼠标在平面上 的移动和点击操作，将其转换为电信号输 入计算机。
存储器
内存储器类型及特点
随机存取存储器（RAM） 可读写，断电后数据丢失 访问速度快，与CPU直接交换数据
内存储器类型及特点
只读不写，断电后数据保留
只读存储器（ROM）
容量有限，价格相对较高
01
03 02
内存储器类型及特点
用于存储固定程序或数据
容量较小，价格相对较低
外存储器类型及特点
01
硬盘
02
容量大，价格适中
读写速度较慢，但可长期保存数据
03
外存储器类型及特点
1
常见的硬盘接口有SATA、SAS等
固态硬盘（SSD）
2
读写速度快，抗震能力强
3
外存储器类型及特点
容量相对较小，价格较高
采用闪存作为存储介质，无机械结构
外存储器类型及特点
光盘
读写速度较慢，数据可长 期保存
容量适中，价格低廉
扫描仪
触摸屏
通过光电转换器件将纸质文档、照片等图 像信息转换为数字信号，输入计算机。
通过检测手指或触笔在屏幕上的触摸操作 ，实现信息的输入。
输出设备类型及原理
显示器
将计算机内部的数字信号转换为可视的 图像信息，通过屏幕呈现出来。
音响
将计算机内部的数字音频信号转换为 模拟音频信号，通过扬声器呈现出来。
外围组件互连接口，是一种高速的、 通用的总线接口标准，用于连接各种 高速设备。
并行接口
位数据 同时传输，传输速度快，但传输距离 较短。
通用串行总线接口，支持热插拔和即 插即用，广泛应用于计算机与外部设 备的连接。
总线与接口性能指标
传输速率
指单位时间内传输的数据量，通常以Mbps 或Gbps表示。
Bluetooth协议
一种无线通信技术协议，用于实现设备间的短距离无线通信，常见于 无线鼠标、键盘等输入设备中。
Wi-Fi协议
一种无线局域网通信技术协议，用于实现设备间的长距离无线通信， 常见于无线打印机、投影仪等输出设备中。
05
总线与接口技术
总线类型及特点
内部总线
连接计算机内部各部件的总线，如CPU总线、存储器总线等，传 输速度快，但长度较短。
计算机硬件技术基础(第二章)
• 计算机硬件概述 • 中央处理器 • 存储器 • 输入输出设备 • 总线与接口技术 • 计算机硬件发展趋势
01
计算机硬件概述
硬件定义与分类
硬件定义
计算机硬件指的是计算机系统中由电 子、机械和光电元件等物理部件组成 的实体部分，是计算机系统的物质基 础。
硬件分类
根据功能不同，计算机硬件可分为输 入设备、输出设备、中央处理器、存 储器和总线等几大类。
计算机硬件发展史
第一代计算机
采用电子管作为基本元件，体积大、功耗高、速度慢。
第二代计算机
采用晶体管作为基本元件，体积缩小、功耗降低、速度提 高。
第三代计算机
采用中小规模集成电路作为基本元件，体积进一步缩小， 功耗进一步降低，同时速度和可靠性得到显著提高。
第四代计算机
采用大规模和超大规模集成电路作为基本元件，实现了微 型化，同时计算机的运算速度、存储容量和可靠性都得到 了极大的提高。
传输距离
指信号在传输介质中能够保持有效传输的最 大距离。
负载能力
指总线或接口能够同时连接的设备数量或负 载的功率。
稳定性与可靠性
指总线或接口在长时间运行过程中保持数据 传输的稳定性和可靠性。
06
计算机硬件发展趋势
摩尔定律与硬件发展
摩尔定律的提出
在一个芯片上集成的晶体管数量每18个月翻一倍，性能也将提升 一倍。
虚拟现实和增强现实
结合虚拟现实和增强现实技术，打造沉浸式计算和全息投影等新型交互方式。
人工智能和机器学习
利用人工智能和机器学习技术，实现硬件自适应、自我优化和自我修复等功能。
THANKS
感谢观看
02
中央处理器
CPU结构与功能
控制单元（CU） 负责协调整个计算机系统的操作，包 括指令的取指、译码和执行等。
算术逻辑单元（ALU）
负责执行各种算术和逻辑运算，如加 减乘除、与或非等。
寄存器组
包括通用寄存器、程序计数器 （PC）、堆栈指针（SP）等，用于 暂存数据和地址。
内部总线
连接CPU内部各部件，实现数据传输。
量子计算
02
03
边缘计算和云计算
利用量子力学原理，设计量子计 算机，实现并行计算和指数级加 速。
将计算任务分散到网络边缘和云 端，降低数据传输延迟和中心化 服务器的压力。
未来硬件技术展望
纳米技术和生物技术
应用纳米技术和生物技术，制造更小、更快、更节能的计算机硬件。
柔性电子和可穿戴设备
开发柔性电子和可穿戴设备，实现人机交互和智能感知。
指令集与微架构
指令集
CPU所能执行的全部指令的集合，分为复杂指令集（CISC）和精简指令集 （RISC）两种类型。
微架构
CPU内部的组织和设计方式，包括流水线设计、超标量设计、乱序执行等技术， 用于提高CPU的运算速度。
CPU性能指标
主频
CPU的时钟频率，通常以MHz 或GHz表示，主频越高，CPU
处理速度越快。
核心数
CPU内部集成的处理器核心数量 ，多核心CPU可以同时处理多个 任务，提高并行处理能力。
缓存容量
CPU内部的临时存储器，用于 暂存数据和指令，缓存容量越 大，CPU处理速度越快。
功耗
CPU在正常工作状态下的功率消耗， 功耗越低，CPU发热量越小，越有 利于延长计算机的使用寿命。
03
硬件技术的飞速发展
随着集成电路的技术极限不断被突破，计算机硬件行业经历了飞速 的发展，从单核到多核，从简单逻辑到复杂计算。
摩尔定律的局限
随着物理学的限制，单纯提升硬件性能变得越来越困难，人们开始 寻找新的技术路径。
新型计算模式探索
01
生物计算和光计算
借鉴生物神经网络和光学原理， 开发新的计算模式，提高计算效 率和能耗比。
常见的光盘类型有CD、 DVD等
存储器层次结构
寄存器
位于CPU内部，速度最快，容量最小， 价格最贵。
主存（内存）
位于高速缓存和辅存之间，速度适中，容量 适中，价格适中。是计算机运行时的主要存 储空间，用于存放正在运行的程序和数据。
高速缓存（Cache）
位于CPU和主存之间，速度较快，容量较小 ，价格较高。用于存放CPU近期可能用到的 数据和指令，减少CPU对主存的访问次数。
打印机
将计算机输出的数字信息转换为纸质 文档，通过打印头在纸张上的打印操 作实现。
投影仪
将计算机内部的数字信号转换为光信 号，通过投影镜头将画面投射到屏幕 上。
设备接口与通信协议
USB接口
一种通用串行总线接口，支持热插拔和即插即用，广泛应用于计算机 输入输出设备中。
HDMI接口
一种高清多媒体接口，用于传输高清视频和音频信号，常见于高清显 示器和投影仪等设备中。
硬件与软件关系
相互依存
硬件和软件是相互依存的，没有软件的计算机被称为“裸机”，无法完成任何有意义的工作； 而没有硬件的支持，软件也无法运行。
协同工作
硬件和软件在计算机系统中协同工作，共同实现各种功能。硬件提供了基本的运算和存储 能力，而软件则通过控制硬件来完成各种复杂的任务。
互相促进
随着计算机技术的不断发展，硬件和软件都在不断进步。新的硬件技术为软件提供了更强 大的功能和更高的性能，而新的软件技术也充分利用了硬件的性能，为用户提供了更加丰 富和高效的应用体验。
系统总线
连接计算机各部件的总线，如数据总线、地址总线和控制总线， 用于实现计算机内部的数据传输和控制。
外部总线
连接计算机与外部设备的总线，如USB、PCI等，传输速度较慢， 但长度较长，可连接多个设备。
接口类型及功能
数据传输采用串行方式，即数据一位 一位地顺序传输，传输速度较慢，但 传输距离较长。